CN113162469A - 一种调谐质量的振动能量收集装置及收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调谐质量的振动能量收集装置及收集方法，包括底座、弹性梁和扭转装置，弹性梁预变形为曲线的形式，弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在底座上表面左右两侧固定设置有第一支撑柱和第二支撑柱，弹性梁的两端分别固定连接在第一支撑柱和第二支撑柱上；扭转装置为U型片，U型片的开口端朝向弹性梁其中一端的方向并对称地粘接在弹性梁的中部。本发明结构简单，通过U型片将外部环境的振动能转化为扭转力作用到弹性梁的中部，使正弦曲线形式的弹性梁在不同稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁的高频震动可让聚偏氟乙烯压电片产生电能，从而将环境中的振动能转化为电能代替传统化学电池为无线网络传感器节点提供电能。
Description
技术领域
本发明涉及仪器科学与工程领域，具体涉及一种调谐质量的振动能量收集装置及收集方法。
背景技术
近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)电子网络技术和无线传感技术的快速发展，对人类科技技术进步和生产力的提高起到了巨大的推动作用。尤其是自上世纪六十年代开始，电子网络技术和无线传感技术的结合，加速了无线传感网络技术(Wireless Sensor Network,WSN)的发展。WSN技术是一种分布式传感网络，系统的末端是由无数个可感知和监测外部世界的传感器组成。传感器之间通过无线方式组成多跳的自组织网络通信系统，构成可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域的环境参数。目前，WSN技术己经广泛的应用在机械结构(如发动机、涡轮机、风力叶片等)、基础设施(如桥梁、高速公路、高速铁路、建筑等)和环境监测(水质监测、森林火灾预警、气候、海洋)等方面。而监测这些设备或环境的各类参数(如温度、压力、应力、湿度等)需要大量的传感器节点，且这些传感器节点需要分散布置在不同位置，通过短距离多条通信方式进行数据传输。一般采取无线通讯的方式将采集到的数据发送到基站进行处理，用户通过监控终端并对无线传感网络进行参数设置、网络管理和监测任务发布等。因此，每个传感器节点均需要提供一定的电能。
目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾越来越激烈。一方面这一类网络中的传感器节点往往尺寸较小，无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，每次维护都需要耗费巨大的人力和财力，甚至由于所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作。因此，如何寻找新的能量供给方式以突破传统电池带来的网络寿命瓶颈是决定未来WSN技术发展的关键因素之一。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种调谐质量的振动能量收集装置。
本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种在上述装置基础上的调谐质量的振动能量收集方法。
采用本发明的装置及方法，能够吸收外部环境中的振动能转化为电能从而代替传统化学电池为无线网络传感器节点提供工作所需要的电能。
解决上述第一个技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：包括底座、弹性梁和促使弹性梁发生变形的扭转装置，所述弹性梁预变形为曲线的形式，所述弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在所述底座上表面左右两侧固定设置有第一支撑柱和第二支撑柱，所述弹性梁的两端分别固定连接在所述第一支撑柱和第二支撑柱上；所述扭转装置为U型片，所述U型片的开口端朝向所述弹性梁其中一端的方向并对称地粘接在所述弹性梁的中部，所述U型片的两个端头处加重设置。
进一步地，所述弹性梁预变形为正弦曲线的形状。
进一步地，所述U型片的两个端头处固定连接有质量块。
更进一步地，在所述底座上表面还设置有防止弹性梁发生上下位移的限位装置，所述限位装置包括第三支撑柱和第四支撑柱，所述第三支撑柱和第四支撑柱分别固定设置在所述底座上表面弹性梁中部两侧的位置，所述第三支撑柱和第四支撑柱的上部之间设置有顶板，在所述顶板下表面与所述弹性梁中部对应的位置处设置有第一限位块，在所述底座上表面与所述第一限位块相对应的地方设置有第二限位块，所述第一限位块和所述第二限位块之间留有可以让所述弹性梁传递弯矩但不能上下发生位移的间距。
进一步地，所述第一支撑柱和第二支撑柱相对的一侧侧面上部切割有与弹性梁两端适配的缝隙，所述弹性梁的两端分别嵌入所述第一支撑柱和第二支撑柱的缝隙中并通过在缝隙中填入粘接剂使弹性梁与第一支撑柱和第二支撑柱之间刚性连接。
优选的，所述压电片为聚偏氟乙烯压电片。
优选的，所述第一支撑柱、第二支撑柱均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。
优选的，所述弹性梁和所述U型片均采用304不锈钢材料制成。
解决上述第二个技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种基于上述装置的调谐质量的振动能量收集方法，包括以下步骤：
S1.把上述任一所述的调谐质量振动能量收集装置安装到外部环境中，确保该装置与外部振动环境刚性连接；
S2.根据外部环境的振动频率，调整粘接在弹性梁中部的U型片两个端头处的质量块的重量，使得U型片的摆动频率与环境激振频率接近；
S3.用导线连接弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片；
S4.将导线接入外部用电电路，收集利用装置输出的电能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的调谐质量的振动能量收集装置，通过扭转装置将外部环境的振动能转化为扭转力作用到弹性梁的中部，预变形为曲线形式的弹性梁在受到扭转装置产生的扭转力后发生变形，弹性梁产生的变形以及局部弹性梁的震动可让附着在弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片吸收变性能转变成为电能输出，从而将环境中的振动能转化为电能代替传统化学电池为无线网络传感器节点的工作提供电能，解决了传统化学电池对传感器节点使用寿命的制约；并且本装置结构简单，制作费用较低，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性强，同时无需频繁地对装置进行维护，节省了大量的财力和人力。
(2)本发明将弹性梁预变形为正弦曲线的形式，当U型片在外部环境的激振作用下发生上下往复摆动将外部环境振动能量转化为扭转力作用到弹性梁中部时，预变形为正弦曲线形式的弹性梁会在不同稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁的高频震动可大大提高聚偏氟乙烯压电片的发电效率。
(3)本发明还在弹性梁的中部设置有限位装置来限制弹性梁发生上下位移，让弹性梁能够传递弯矩但不能上下发生位移，避免因U型片的摆动范围过大而对弹性梁造成破坏。
(4)本发明构成装置主体结构的部件均采用聚甲基丙烯酸甲酯以及不锈钢材料制成，避免了电磁干扰对装置造成的影响。
(5)本发明的调谐质量的振动能量收集装置，具有可再生不消耗燃料、机电转化效率高、安全无污染等特点，利用环境中的振动能去发电不仅对环境友好，符合当今时代对清洁能源的追求，应用前景广阔，应用范围广，并且能够作为一种新的能量供给方式在一定程度上突破了传统电池带来的网络寿命瓶颈，为未来WSN技术发展提供了一个方向。
附图说明
图1为本发明实施例的调谐质量的振动能量收集装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的调谐质量的振动能量收集装置的工作原理示意图；
图3为本发明实施例的预变形为正弦曲线形式的弹性梁的立体结构示意图；
图4为本发明实施例的压电片与弹性梁上下表面的粘贴关系示意图。
图中：1-底座，2-弹性梁，3-第一支撑柱，4-第二支撑柱，5-聚偏氟乙烯压电片，6-U型片，7-质量块，8-第三支撑柱，9-第四支撑柱，10-第一限位块，11-第二限位块。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。
本发明提供了如图1-3所示的一种调谐质量的振动能量收集装置，包括底座1、弹性梁2和促使弹性梁2发生变形的扭转装置；
弹性梁2由预变形为曲线形式的301不锈钢材料制成，长度为200mm，宽度为20mm，厚度为0.02mm，弹性梁2的上下表面均粘贴有聚偏氟乙烯压电片5；
在底座1上表面左右两侧固定设置有第一支撑柱3和第二支撑柱4，第一支撑柱3和第二支撑柱4均为由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的方形柱，长度为20mm，宽度为20mm，高度为100mm，在第一支撑柱3和第二支撑柱4相对的一侧侧面上部切割有厚度为0.3mm的缝隙，弹性梁2的两端分别嵌入第一支撑柱3和第二支撑柱4的缝隙中并通过在缝隙中填入粘接剂使弹性梁2与第一支撑柱3和第二支撑柱4之间实现刚性连接；
扭转装置设置在弹性梁2的中部，本发明中的扭转装置为一片由304不锈钢材料制成的U型片6，厚度为0.5mm，U型片6的开口端朝向弹性梁2的一端并两侧对称地粘接在弹性梁2的中部，U型片6的两个端头处均固定连接有质量块7；
质量块7的配重需要根据外部环境的振动频率来进行调谐，由于实际环境中的振动频率变化较大，在安装装置时需要确定一个与环境振动频率相匹配的谐振频率范围，从这个谐振频率范围中计算出一个最合适的质量块7的重量，使得装置的谐振频率能够与环境的激振频率达到一致或接近。
本实施例将弹性梁2预变形为正弦曲线形式，该形式为经过多次试验后得出的能够使聚偏氟乙烯压电片5的发电效率达到最佳的形式之一，正弦曲线形式的弹性梁2在受到U型片6传递的扭矩后在双稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁2的高频震动可提高聚偏氟乙烯压电片5的发电效率。
本实施例中在底座1上表面还设置有防止弹性梁2发生上下位移的限位装置，限位装置包括第三支撑柱8和第四支撑柱9，第三支撑柱8和第四支撑柱9分别固定设置在底座1上表面弹性梁2中部的两侧，第三支撑柱8和第四支撑柱9的上部之间设置有顶板，在顶板下表面与弹性梁2中部对应的位置处设置有第一限位块10，第一限位块10的下端延伸到弹性梁2上方，在底座1上表面与第一限位块10相对应的地方设置有第二限位块11，第二限位块11的上端延伸到弹性梁2的下方，通过预先计算好第一限位块10和第二限位块11的长度，让第一限位块10的下端和第二限位块11的上端之间留有可以让弹性梁2传递弯矩但不能上下发生位移的间距。
本发明构成装置主体结构的部件，如底座1、第一支撑柱3、第二支撑柱4、U型片6、弹性梁2、第三支撑柱8、第四支撑柱9、顶板、第一限位块10和第二限位块11均采用聚甲基丙烯酸甲酯或者不锈钢材料制作，能够避免电磁干扰对装置造成的影响。
本发明调谐质量的振动能量收集装置把外部环境振动能转化为电能的工作原理是：根据外部环境的振动频率调谐U型片6两个端头处的质量块7的重量，让装置的谐振频率能够与外部环境激振频率达到一致或接近，从而最大程度的吸收外部环境中的振动能，当外部环境的振动能传递到装置上时，U型片6会在外部激振环境的作用下，发生上下自由往复摆动，从而将外部的振动能转化为扭转力作用到弹性梁2的中部，预变形为正弦曲线形式的弹性梁2在受到扭转力作用后在不同稳态之间切换，预变形弹性梁2突破势能壁垒发生突弹跳变显现时伴随大变形以及局部弹性梁2的高频震动，可使附着在弹性梁2上下表面的聚偏氟乙烯压电片5吸收变性能转变成为电能输出。
本发明还公开了一种调谐质量的振动能量收集装置的能量收集方法，包括以下步骤：
S1.把上述的调谐质量振动能量收集装置安装到外部环境中，确保该装置底座1与外部振动环境刚性连接；通过把装置与外部环境刚性连接，能够让外部环境的振动能可以更好地传递到装置上。
S2.根据外部环境的振动频率，调整粘接在弹性梁2中部的U型片6两个端头处的质量块7的重量，使得U型片6的摆动频率与环境激振频率接近；
S3.用导线连接弹性梁2上下表面的聚偏氟乙烯压电片5；
S4.将导线接入外部用电电路，收集利用装置输出的电能。
本发明的调谐质量的振动能量收集装置，通过吸收外部环境的振动能转化为电能，代替了传统化学电池为无线网络传感器节点的工作提供所需的电能；
一方面，本发明的装置通过持续吸收外部环境的振动能转化为电能，能够持续不断地为节点提供电能，解决了节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾，让节点的使用寿命不再受到制约，大大地延长了节点的使用寿命，在创造更多利益的同时还具有可再生不消耗燃料、安全无污染、机电转换效率高等特点，顺应了当今追求使用绿色清洁能源的潮流；
另一方面，本发明的装置制作费用相对较低，操作简单，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，且安装好后只需定期对装置进行例行维护，在一定程度上解决了传统化学电池需要频繁更换而为网络的维护带来巨大工作量的问题，尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，大大减少了因每次维护所需耗费的巨大人力和财力，同时解决了一些节点所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作的问题。
综上所述两方面来看，本发明的调谐质量的振动能量收集方法的应用范围广泛，实用性强，并且能够作为一种新的能量供给方式在一定程度上突破了传统电池带来的网络寿命瓶颈，为未来WSN技术发展提供了一个方向。
上述实施例仅是本发明较优实施例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上作出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。
Claims (9)
1.一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：包括底座、弹性梁和促使弹性梁发生变形的扭转装置，所述弹性梁预变形为曲线的形式，所述弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在所述底座上表面左右两侧固定设置有第一支撑柱和第二支撑柱，所述弹性梁的两端分别固定连接在所述第一支撑柱和第二支撑柱上；所述扭转装置为U型片，所述U型片的开口端朝向所述弹性梁其中一端的方向并对称地粘接在所述弹性梁的中部，所述U型片的两个端头加重设置。
2.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述弹性梁预变形为正弦曲线的形式。
3.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述U型片的两个端头处固定连接有质量块。
4.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：在所述底座上表面还设置有防止弹性梁发生上下位移的限位装置，所述限位装置包括第三支撑柱和第四支撑柱，所述第三支撑柱和第四支撑柱分别固定设置在所述底座上表面弹性梁中部两侧的位置，所述第三支撑柱和第四支撑柱的上部之间设置有顶板，在所述顶板下表面与所述弹性梁中部对应的位置处设置有第一限位块，在所述底座上表面与所述第一限位块相对应的地方设置有第二限位块。
5.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述第一支撑柱和第二支撑柱相对的一侧侧面上部切割有与弹性梁两端适配的缝隙，所述弹性梁的两端分别嵌入所述第一支撑柱和第二支撑柱的缝隙中并通过在缝隙中填入粘接剂使弹性梁与第一支撑柱和第二支撑柱之间刚性连接。
6.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述压电片为聚偏氟乙烯压电片。
7.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述第一支撑柱、第二支撑柱均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。
8.根据权利要求1所述的一种调谐质量的振动能量收集装置，其特征在于：所述弹性梁和所述U型片均采用304不锈钢材料制成。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的调谐质量的振动能量收集装置的能量收集方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.将所述的调谐质量的振动能量收集装置安装到外部环境中，确保该装置与外部振动环境刚性连接；
S2.根据外部环境的振动频率，调整粘接在弹性梁中部的U型片两个端头处的质量块的重量，使得U型片的摆动频率与环境激振频率接近；
S3.用导线连接弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片；
S4.将导线接入外部用电电路，收集利用装置输出的电能。
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Cited By (2)
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| CN115693567A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-02-03 | 山东大学 | 一种输电线路磁负刚度半主动宽频抑制耗能装置 |
| JP7288718B1 (ja) | 2022-09-28 | 2023-06-08 | ▲広▼州大学 | バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置 |
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| JP7288718B1 (ja) | 2022-09-28 | 2023-06-08 | ▲広▼州大学 | バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置 |
| JP2024049272A (ja) * | 2022-09-28 | 2024-04-09 | ▲広▼州大学 | バイオニックガル翼に基づいた多安定振動エネルギー収集装置 |
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